協作通信中基于鏈路不平衡的中繼激勵

李 釗，蔡沈錦

(西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

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協作通信中基于鏈路不平衡的中繼激勵

李 釗，蔡沈錦

(西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

針對協作通信系統下行鏈路，提出一種基于鏈路不平衡的中繼激勵機制．這種機制為鼓勵節點參與協作，對參與數據協作的中繼節點給予通信資源回報．與傳統的端到端多跳通信中消除瓶頸的設計不同，基于鏈路不平衡的中繼激勵機制嘗試對由于鏈路不平衡導致的鏈路瓶頸進行利用，并通過調整中繼節點發射功率按需地對瓶頸的位置和大小進行控制，以兩跳鏈路的數據速率差值作為中繼的回報．仿真結果表明，所提機制能夠在保證目的用戶傳輸性能的基礎上，給予中繼節點合理的回報，實現系統頻譜效率和中繼能量效率的改善．

協作通信;中繼;激勵;能量效率

下一代無線通信系統(5G)面向更高的數據傳輸速率和更佳的用戶覆蓋，大量低能耗節點、中繼和設備到設備(Device to Device， D2D)通信鏈路將存在于蜂窩系統中[1]，設備間協作也更加普遍．中繼可以由固定節點和移動節點擔任，前者只進行數據的轉發，后者還有自身的通信需求．移動中繼具有位置更靈活、選擇范圍更廣、對復雜的無線傳輸環境適應性更好等優點[2]．由于參與協作會消耗移動中繼節點的能量，若沒有合理的回報，將不利于節點間協作關系的建立．因此，良好的激勵機制對參與協作的移動用戶具有重要意義．

在蜂窩通信系統中，文獻[3]在比例公平(Proportional Fair， PF)算法的基礎上，以增加擔任中繼的移動臺的調度權重，進而增大其被調度的概率作為回報．文獻[4]提出基于激勵的覆蓋擴展機制(Coverage Extension based on Incentive，CEI)，通過綜合考慮吞吐量、協作貢獻與信用參數，使協作貢獻大的移動用戶有更高的概率獲得通信機會．然而，在多用戶通信系統中，移動臺能否最終獲得通信機會，會受其自身及系統中其他用戶的信道質量的影響，因此，上述以增加調度概率為激勵策略并不能保證中繼用戶一定能夠獲得回報．

在協作認知無線電網絡(Cooperative Cognitive Radio Network，CCRN)中，認知用戶可以通過幫助授權用戶轉發數據來獲得一定的通信機會．文獻[5]提出一種基于時隙劃分的三階段協作傳輸機制．第1階段由授權用戶進行廣播，認知中繼在第2階段進行數據轉發，在第3階段，全部授權帶寬作為回報授予認知用戶用于其自身數據的傳輸．文獻[6]將授權帶寬的一部分作為回報給予認知用戶，提出一種兩階段協作傳輸機制．第1階段授權用戶利用一部分帶寬進行廣播，第2階段認知用戶在該帶寬內進行數據轉發，同時在剩余帶寬(回報)內傳輸自身數據．但上述機制要求授權用戶犧牲一部分時間或頻帶資源以換取認知用戶的協助．

在上述協作通信場景中，信道的隨機性會導致經由中繼的兩跳鏈路存在差異，而端到端傳輸受限于路徑上最差的鏈路(瓶頸)．瓶頸的存在使高質量鏈路的傳輸能力無法得到充分利用．文獻[7-8]通過時隙劃分和功率控制消除鏈路瓶頸．然而時隙的動態劃分會導致同步開銷的增加，而功率控制則要求節點具有寬的輸出功率動態范圍．該類研究雖然通過消除瓶頸使端到端傳輸性能得到改善，但未考慮中繼的回報．

綜上，已有的中繼激勵機制中，基于調度概率補償的回報機制存在不確定性[3-4]，出讓時域、頻域資源的激勵方式會影響出讓方自身的數據傳輸[5-6]．此外，對瓶頸效應的研究集中在消除瓶頸[7-8]．在以上調研工作的基礎上，筆者提出一種基于鏈路不平衡的中繼激勵機制，通過利用瓶頸、按需地控制瓶頸的位置和大小，在保證目的用戶傳輸的前提下，給予中繼用戶合理的回報，以此激勵節點參與協作，實現系統頻譜效率和中繼能量效率的改善．

圖1 系統模型

1 系統模型

研究單小區下行通信系統，如圖1所示．系統中包括一個基站(Base Station， BS)和K+1個移動臺(Mobile Station， MS)，基站與移動臺均配置單天線．位于小區邊緣的移動臺MSd作為目的用戶在當前傳輸周期被調度，其余K個用戶作為候選中繼構成集合Ω，有 card(Ω)= K，其中，card(·)表示集合中元素的個數．MSl表示被選作中繼的移動臺．中繼采用譯碼轉發，工作在半雙工模式．用戶以時分多址方式接入信道．用hs，k和hs，d表示MSk(k? Ω)和MSd與BS之間的信道狀態信息(Channel State Information，CSI)，MSd與中繼MSl之間的信道系數用hl，d表示，它們相互獨立且服從復高斯分布．假設信道具有頻率平坦衰落和塊衰落(Block Fading)特性，信道參數在塊(1個塊包含若干連續的傳輸時隙)內保持穩定，在塊與塊之間隨機變化．

考慮到中繼的引入是為提高BS到MSd的傳輸性能，為了降低信息交互開銷，不需要對整個小區內的候選中繼進行考察．如圖1所示，位于象限Ⅱ和Ⅲ中的移動臺，由于其與MSd之間的距離大于BS與MSd之間的距離，考慮到路徑損耗和移動臺的通信范圍，這些移動臺能夠擔任中繼的概率很低．因此，所提機制僅對位于象限Ⅰ和Ⅳ中的移動臺進行考察．中繼在以ρ為半徑的圓形陰影區域中選取，位于該區域的移動臺構成集合ΩR，有 ΩR? Ω和 card(ΩR)= KR< K．

2 基于鏈路不平衡的中繼激勵機制

2.1 協作通信的信號處理

若采用非協作通信，MSd直接從BS接收到的信號為

采用協作通信時，MSd收到經由MSl轉發的信號為

其中，PT表示BS的發射功率，·表示求模值運算．

當BS通過MSl向MSd發送數據時，端到端頻譜效率為

2.2 LIABLE的設計

MSl的選擇可按照如下步驟進行:

步驟2 初始化候選中繼集合ΩR，遍歷ΩR內的候選中繼，執行步驟3和步驟4;

步驟 4 BS根據預先確定的激勵因子c以及分配因子φ，利用式(5)～(8)計算當前候選中繼的目標函數的最大值和對應PR;

2.3 性能分析

從系統頻譜效率和中繼能量效率兩個方面對所提LIABLE機制進行性能分析．對采用無中繼激勵協作通信機制(Cooperative Non-Relay-Incentive scheme， CNRI)的系統，其頻譜效率等于MSd的最大可達速率，即

特別地，對于通過降低PR使MSl獲得回報的情況，MSd的速率改善會有一定程度的降低，但系統頻譜效率(即第1跳數據速率)不變．

能量效率[9]是指移動中繼獲得的回報速率與其能量消耗的比值．文中將能量效率進行帶寬歸一化處理(記為η)，單位為bit/(Hz·Joule-1)，可表示為

3 仿真結果

本節對LIABLE的性能進行仿真評估．小區半徑為2 km，基站和移動臺的發射功率分別為 20 W 和 2 W，噪聲功率為 -104 dBm．BS到MS與MS到MS的路徑損耗[10]分別為 LBS-MS(D)= 128.1+ 37.6 lg(D/ 1 000) 和 LMS-MS(D)= 16.5+ 37.6 lg(D)，單位為dB; D表示通信實體間的距離，單位為m．

為降低信息交互開銷，首先通過仿真對圖1所示候選中繼區域進行確定．考慮路徑損耗與移動臺通信范圍，只需對位于象限Ⅰ、Ⅳ的移動臺(候選中繼)進行考察，又由于象限Ⅰ、Ⅳ關于x軸對稱，考察的區域可進一步簡化至象限Ⅰ．假設候選中繼的發射功率為 2 W，基站與目的用戶之間的距離Dd分別為 1.50 km、1.75 km 和 2.00 km，對象限Ⅰ中的位于不同位置的移動臺可擔任中繼(能夠改善MSd的可達速率)的概率進行仿真，結果如圖2所示．圖中顏色越深的區域表明移動臺可擔任中繼的概率越高(概率值隨顏色深淺的變化關系如圖右側的灰度條所示)，因此，可選擇以點 (3Dd/4， 0)為圓心，即 (1.125 0 km， 0)(圖2(a))、 (1.312 5 km， 0)(圖2(b))和 (1.500 0 km， 0) (圖2(c))，半徑為 350 m 的圓作為候選中繼區域．在后面的仿真中僅從位于該區域的移動臺中選取中繼．

圖2 不同Dd時的候選中繼區域

4 結 束 語

筆者針對協作通信系統下行鏈路，提出一種基于鏈路不平衡的中繼激勵機制，通過利用端到端路徑中現存的瓶頸或按需地對瓶頸位置和大小進行調整以實現對中繼的回報．所提機制能夠在保證目的用戶傳輸性能的基礎上動態地對中繼用戶進行回報，實現系統頻譜效率和中繼能量效率的改善．

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(編輯：齊淑娟)

Relay incentive in cooperative communication by exploiting link imbalance

LIZhao，CAIShenjin

(State Key Lab. of Integrated Service Networks, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

A relay incentive mechanism based on link imbalance(LIABLE) is proposed for the cooperative downlink communication system. In order to encourage nodes to participate in cooperation, the communication resource is offered as a reward to the relay node that participates in data cooperation. Unlike traditional bottleneck elimination methods in multi-hop end-to-end communication, the LIABLE attempts to make use of the bottleneck caused by link imbalance. Moreover, the location and size of the bottleneck can be controlled on demand by adjusting the relay’s transmit power, so that the difference of data rates between two hops can be afforded to the relay as a reward. Simulation results show that the proposed scheme can provide appropriate compensation to the relay node on premise that the destination’s transmission performance is guaranteed. In addition, enhancement of the system spectral efficiency and the relay node’s energy efficiency can be realized.

cooperative communication; relay; incentive; energy efficiency

2015-09-09

時間：2016-04-01

國家自然科學基金資助項目(61102057)；高等學校引智計劃基金資助項目(B08038)

李 釗(1981-)，男，博士，副教授，E-mail: zli@xidian.edu.cn．

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.tn.20160401.1622.006.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.06.003

TN929.5

A

1001-2400(2016)06-0015-06